汽车后桥从动齿轮的失效分析

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1、学兔兔www.xuetutu.com万方数据汽车后桥从动齿轮的失效分析术口赵玉梅口张红霞湖北汽车工业学院材料工程系湖北十堰442002摘要：采用形貌观察、化学成分分析、金相检验、硬度测试和有效硬化层深测量等方法，对某型号载重车后桥从动齿轮在运行中出现齿部断裂和齿面剥落现象进行了分析。结果表明：齿轮失效原因在于齿轮齿根部有较深的切削沟槽。导致齿根部应力加大，形成裂纹源，并产生高周疲劳引起齿根部断裂，进而波及其它齿产生断裂和剥落：同时也存在齿轮润滑油选用不当的问题。关键词：后桥从动齿轮失效渗碳疲劳断裂中图分类号：THl32．41；TGl62

2、．73文献标识码：B文章编号：1000—4998(2011)02—0071—03某公司生产的载重车在运行中后桥减速器发生异响，检查发现后桥减速器从动齿轮多个齿出现剥落和断裂失效。设计要求该齿轮材质为20CrMoH，齿轮模数为13．063mm，齿轮最大直径380mm．渗碳后经淬火和低温回火处理。技术要求渗层有效硬化层深度为1．3-1．7mm。表面硬度为58-63HRC．心部硬度为30-40HRC。1理化检验分析1．1宏观形貌分析失效齿轮的40个齿中有2个齿接近整体剥落，其余11个齿局部剥落。齿轮剥落最严重的部位拍摄的实物照片见图l。齿轮表

3、面有明显的油污，对油污进行分析。油污为使用中残留的一般齿轮油。非厂家规定的渐开线齿轮专用油。将齿轮剥落部位用丙酮去油污清洗后进行宏观观察。观察到剥落最严重的齿(图l中间齿)完全从根部断裂。右侧的齿有2／3齿长从根部断裂．左侧齿在齿轮外沿齿顶处存在剥落)，剥落层约占齿高的l／2。重点分析中间断裂的齿，从断口形貌看，整个断口平坦光滑，有剪切唇。断口有多个疲劳源，星线形分布．从中间齿左侧齿根处逐渐向内部扩展。观察齿根处．可见有几道明显的沿径向分布的平行切削沟槽(图2)。观察其它部位，齿根处刀痕较明显，疲劳裂纹起源位置在切削沟槽处也较明显。中间

4、齿右侧边沿处(图2)可见明显的切削沟槽，并观察到此处齿根存在小的台阶过渡，根据齿轮产品图，该台阶不应存在。1．2化学成分对失效齿轮用DFl00直读光谱仪进行化学成分复验，见表l，各元素成分符合国家标准GB厂r3077-1999c1]中20CrMoH的成分要求，说明齿轮材料合格。水湖北省教育厅科学技术重点研究项目(编号：D20102003)收稿日期：2010年8月摊机械制造49卷第558期表1齿轮化学成分(wt％)成分CSiMnPSMOCr0．17—0．17^，0．40-O．15～0．8～国标(wt％)≤0．0350．24O．37O．70

5、O．251．10实测(wt％)O．23O．33O．550．030．025O．22O．981．3硬度分析由于齿轮零件剥落部分已无法找到，所以主要针对齿轮残留的较完整的齿部作硬度分析．分别测量其表面硬度和心部硬度，所得结果如表2。该产品的技术要求为：心部硬度30～40HRC；表面硬度58～63HRC。由表2可以看出。该齿轮心部硬度和表面硬度均在技术要求范围内。表2失效齿轮表面和心部硬度值编号表面硬度／ltRC平均值／HRC齿顶58596159．3齿侧59605859心部硬度333534根据GBff9450—2005《钢件渗碳淬火硬化层深度的

6、测定和校核》取表面至550HV处的垂直距离作为有效硬化层深度，用显微硬度计测量渗碳层深度。选择齿面部分剥落的3个齿。分别测其未剥落部位的截面硬度，测得渗碳层硬度分布结果如图3所示。可以看出，1号齿、2号齿和3号齿的渗碳层深度都在1．3一1．5mm之间，符合该产品的技术要求，但部分齿的有效硬化层r——12011／27钏学兔兔www.xuetutu.com万方数据深度在技术要求的下限。从抽查的3个齿的硬度分布来看，该齿轮存在硬度分布不均匀的现象，2号齿在距表面O．2～0．4mm处硬度下降较快。有产生浅层剥落的隐患。渗层不均匀一般甫以下原因：

7、13引起：炉内各部分温度不均匀．如：碳势不均匀、炉气循环不佳、工件相互碰撞、齿面有脏物、渗碳时齿面结焦等。1．4断口微观形貌图4所示为齿轮发生剥落部位断口的电镜形貌图，从图4(a)可以看出该断口裂纹源为线形疲劳源，长度约0．5mm。由此可以判断出该处外加应力较高，相应的应力集中系数也较大。从源区形貌上可以看到，线形裂纹源Ⅸ向内延伸的疲劳面上有较多的并行疲劳台阶，图中箭头方向为撕裂棱线方向。原因在于齿轮根部的切削沟槽在高应力作用下形成线形裂纹源，疲劳裂纹同时从多个源点出发，通过相邻取向，微有差异的光滑纹路的疲劳裂纹连接汇合成一个主要裂纹前

8、沿，出现了很多高低不平的台阶状形貌。疲劳台阶是断口的另一个基本特征，这是由于裂纹在扩展过程中，裂纹前沿的阻力不同而发生在扩展方向上的偏离，此后裂纹开始在各自的平面上继续扩展，不同的断裂面相交而形成了台阶。一